肖华锋，王晓标，张兴²，王政，花为，程明！
（1.东南大学电气工程学院，江苏省南京市210096；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽省合肥市230009)
2. School of Electrical Engineering and Automation Hefei University of Technology Hefei 230009 Anhui Province China)
成分抑制：宽禁带器件
ABSTRACT: Transformerless grid-connected inverter (TLI) systems feature high efficiency low cost low volume andweight due to using neither line-frequency transformers norhigh-frequency transformers. Therefore TLIs have been extensively imvestigated in academic munity and monly installed in renewable energy industry especiallyfor distributed photovoltaic grid-connected systems during thedecade. This paper analyzed and summarized the state of the art of TLI techniques. Three rules of leakage current (LC)posdnsmon-mode (CM) voltage analysis model at the beginning. Secondly LC suppresion topologies and direct current (DC)injection methods so called as two key challenges of firstgeneration TLIs have been classified and discussed in detailFinally some challenges and future trend of next-generation TLIs have been presented based on wide bad gap devices.
0引言
光伏发电作为一种清洁可持续能源受到了世2015年起，一直占据世界光伏累计安装量第一位， 界各国的广泛关注，并被迅速普及应用，我国自更是创造了累计安装量5年增长100倍的世界纪录（见国家能源局2010至2015年统计数据.在我国光伏发电快速发展的过程中，受国家政策激励和安装成本快速下降等因素的促进，分布式光伏发电 （distributed photovoltaic generation，DPVG）年安装占比快速增加，已接近50%，如图1所示，预计在未来的5年内还会继续维持这一比例
KEY WORDS: transformerless inverter; CM model; LCsuppression; DC injection suppresion; wide band gap device
摘要：非隔离并网系统因不含低频和高频变压器面具有变换效率高、成本低、重量轻等突出优势，近年来专家学者们对 其开展了大量的研究，并在新能源开发，特别是在分布式光伏并网中普及应用，该文分析并归纳了非隔离逆变技术的发展现状.首先，从非隔离并网系统的共模分析模型出发总结 出三大类漏电流抑制准则.接着，分别就第一代非隔离并网系统的两大关键技术：漏电流抑制拓扑和进网直流成分抑制方法进行分类讨论，最后，结合日益成熟的宽禁带器件对第二代非隔离并网系统的关键技术与挑战进行了展望.
图1中国年光伏装机量统计数据
Fig . 1 Statistical data of annual PV accumulative capacity
DPVG一般安装在低压配网侧，更接近负荷，有利于高效消纳，并避免输送通道的建设：与建筑物紧密结合也可以缓解电站建设用地紧张，以及支持“光伏扶贫”等国家战略.但是，相比大型地面光伏电站，DPVG的发电成本高，这是限制其进 一步推广普及的主要障碍.
关键词：非隔离逆变器：共模模型：漏电流抑制：进网直流
分布式光伏逆变器是DPVG的主要构成部分，用于实现光伏电池输出电力的变换和控制，并送入
电网.分布式光伏逆变器有组串式、交流模块式、直流模块式等结构3，其中组串式因对每个光伏串配有独立DC/DC模块可实现独立的最大功率点跟踪(maximum power point tracking MPPT)功能，从而可以适应光伏屋顶不同朝向的电池阵列，以提高高频隔离型和非隔离型等形式非隔离型光伏并 发电量.组串式分布式光伏逆变器有工频隔离型、网系统(transformerless photovoltaic grid- connectedinverter，TLI)利用硅（包括功率器件和芯片）替代隔离型逆变器中的变压器，在提高变换效率、减小体积和降低成本的同时，可节省铜、铁等低储量不可 再生资源的消耗，非常适合DPVG低成本的技术需求.但是，将TLI用于DPVG时，将面临接触漏电流和进网直流电流分量这两大技术挑战-
文献[7]详细分析了TLI漏电流的产生机理，发现主要是光伏电池板的对地寄生电容在开关频率 共模电压激励下会产生漏电流：文献[8]则分析了TLI进网直流分量的产生诱因，主要是由于取消了连接至并网公共连接点（point of mon coupling，PCC）的工频变压器，进而失去了“变压器隔直”这各国并网标准对漏电流和直流成分均提出了严格 一屏障.为了促进TLI应用和保证其安全可靠运行，的指标限制，如表1所示.
表1几种典型并网标准中的漏电流和直流分量指标
Tab. 1 Standard values of LC and DC injeetion
指标” VDE0126-1-1 GB/T有效值/mA o>300 断开时间/s 03 62109-2 19964-2012漏电 o>30 03 相网 相网流 o60 0.15直流 150 0.04 小于额定 小于额定分量 <1A 输出电流1%输出电流0.5% 注：Iy为漏电流有效值：boc为进网直流电流幅值. 技术人员进行了大量研究工作12-9，并取得了一系 为了满足上述并网标准要求，各国学者和工程列成果，涉及建模方法、机理分析、抑制措施等方面.为了梳理该领域的研究思路和发展脉络，以便为研究人员提供理论指导以及为工程应用人员提供选型参考，本文首先对漏电流抑制和直流分量抑准则及其技术分类方法.进一步，基于上述技术特 制这两个技术方向进行详细的分析，并提炼出抑制征和应用特征，并结合笔者多年的研究工作，尝试性地定义了以硅器件为基础的第一代TLI技术及发 展周期. 另一方面，宽禁带器件（wideband gap，WBG)的快速发展为TLI技术带来了跨代发展的机遇2，其发展方向是高频高功率密度，以满足进一步降低DPVG成本的需求.按此发展方向，将有利于逆变发展步伐，缩短两者的技术差距.笔者基于前期 器跟上直流变换器在开关频率和功率密度方面的开展的探索性工作，试探性地对以WBG器件为基础的第二代TLI技术面临的挑战进行了展望. 抑制准则 1非隔离并网系统共模特性分析与漏电流 1.1共模特性分析模型 电压源型TLI结构可以表示为图2所示.开关网络由多个基本单元（basiccell，BC）构成，每个基 本单元可由1个或多个开关管和/或二极管组合面成（定义nBc=3），也可为电容支路（定义nBc=2)，或者为短路（定义nac=1）或开路（定义nBc=0）等状态：其电压源特性体现为开关网络中的电容Ca：P、N点：L、L为电感滤波环节：Cw、C分别为光 为开关网络直流输入端1、2为开关网络交流输出伏板对地寄生电容：Cy1、Cv2为EMI滤波器的对地Y电容：Zuil、Zuim为从PCC起电网线路阻抗：地阻抗 ZG代表电网的接地点与变换器机壳接地点之间的 图2非隔离并网系统示意图 Fig. 2 Sketch diagram of genetic TLI system 以电池板输出负端N为参考点，点1、2为输出端，由差、共模电压的定义可得： 进一步，由式（1）、（2）可得 用式（3）、（4）代替图2中的开关网络，由“叠加原理”可略去差模（differential-mode，DM）回路及元件，得到开关频率刻度下高频共模等效电路，如 () (2) (3) (4) 图3（a）所示：进一步，该等效电路可运用“戴维南定理”得到最简共模等效电路，如图3（b）所示.在图3(b）中，Z为共模回路等效总阻抗，其表达式可参阅文献[7]：其中，VcM为等效共模电压源，表达式为 nc=gc4=2、L≠0、L=0，则图2转化为半桥特征的逆变电路，如图5所示.由于L=0，则式（5）简化为cM=（vcM-V)/2，将式(1）、(2）代入可得vcM=V2N：又由于vz=vpw2为恒值，则半桥型逆变电路中等效共模电压源vcM自然维持为恒值. (5) Fig. 5 Halfbridge type TLs 图5半桥型非隔离逆变电路 准则3：若ngcy=0nc=c=c=gc=gc=3、ac2=ngc4=gc=1、Lz0、L=0，则图 2转化为共地性线连接，如图3所示，可得vzN=0，再由式（1）、 特征的逆变电路，即光伏阵列的负端直接与电网中(2)可得vp=2vcM：由于L=0，式(5）可得vc=（(vcM-vpM)/2=0.因此，共地型逆变电路中等效共模电压源vcM自然维持为恒值，且为零. (b)最简共模等效电路Fig. 3 CM voltage analysis models for TLI system 图3非隔离井网系统共模回路模型 由图3(b）可知，要实现流过光伏阵列寄生电容的开关频率漏电流为零，由电容的“通交隔直”特性可知，必须维持等效共模电压源vcM在开关频率 刻度下为恒定值. Fig. 6 Common ground type TLIs 图6共地型非隔离逆变电路 1.3工频漏电流抑制 1.2节讨论了开关频率及其倍数次共模电压成分的抑制准则，电网工频电压同样会转化为共模电压施加在寄生电容上.按1.2节讨论的全桥型、半桥型和共地型3类拓扑，可分析出光伏阵列正、负 端对地寄生电容上低频电压波形，如图7所示，其中横轴为地电位22] 1.2开关频率漏电流抑制准则 根据图3（b）及式（5）可以推导出针对特征拓扑结构的开关频率漏电流抑制准则，具体叙述如下. ngC4=3、npc=Rc=Rgcy=3、L=L0，则图 2转化 准则 1：若nacs=1、ngc=0、Rsci=RBc2=tac3=为全桥特征的逆变电路，如图4所示.由于L=L2式(5)的第二项等于0，因此，若能维持式(2）中vcM为恒定电压幅值，则等效共模电压源vc将为恒值，即全桥型逆变电路的开关频率漏电将被消除. 可以看出，全桥型拓扑中存在工频共模电压，按图3(b）所示共模等效电路，将产生低频漏电流.但由于工频共模电压频率较低，寄生电容的阻抗将 大幅提升，当全桥型非隔离并网系统接入低压配电 准则 2: 若 nBCI=IC2=RBcs=1 BC=BCs=RBcy=3、 图7不同拓扑结构下寄生电容的低频工模电压波形 Fig. 7 Low frequeney CM voltage waveforms onparasitic capacitors with different topologies 图4全桥型非隔离逆变电路Fig 4 Full bridge type TLIs 2.1全桥型非隔离逆变拓扑 网时，幅值较低的工频共模电压产生的漏电流幅值也较低，可小于并网标准的要求. 全桥型逆变电路具有电路结构对称、直流电压利用率高、调制策略丰富等优点（全桥型逆变电路拓注，并在工业界得到广泛应用15].常规四开关全 扑如图9（a)所示），在学术界引起了不少研究者的关制方式下才能满足漏电流要求7.16，如图9(b)所示， 桥逆变器应用于TLI场合时，必须运行在双极性调其开关频率共模电压为恒值.但是，双极性调制下交直流侧过多的无功循环限制了变换效率的提高和滤波电感体积的减小.因此，高效、低谐波含量示，单极性调制策略最大的优点是差模输出电压是 的单极性调制更符合TLI场合的要求，如图9（c）所三电平波形. 同样可以看出，半桥型和共地型拓扑的低频共模电压为恒值，按图3（b）所示共模等效电路，由电容的“通交隔直”特性可知，不会产生低频漏电流. 2非隔离并网系统拓扑技术 针对TLI可能存在的漏电流安全间题，特别是作[23-3]，且主要集中在拓扑结构和调制策略的改进 高频漏电流成分，国内外学者进行了大量的研究工上2-3，并按照1节介绍的开关频率漏电流抑制准则，可将现有TLI拓扑划入全桥型、半桥型和共地型三类，如图8所示. 图8非隔离并网逆变拓扑分类图 Fig 8Classification diagram of TLI topologies (c)单极性调所策略图9常规全桥逆变器及其调制策略Fig. 9 Traditional full bridge inverter and its modulation strategjies 生高频共模电压，如图9(c)中电压hcM所示， 遗憾地是，常规全桥逆变器在单极性调制下产将产生幅值很大的高频漏电流. 为解决此问题，德国 Sunways 公司在2003年发明了一种高效可靠的逆变器概念（higheficiency and reliable inverter conception，HERIC)电路[13]，并获得欧洲专利（EP1369985A2)和美国专利（US7046543）.其解决思路为：在交流输出侧重构续流支路S，/S.，如图10（a)所示，使得续流阶段交流侧和光伏电池阵列直流侧隔开，共模电压失去直流电压的直接支撑而大幅下降，并被称为“交流解耦 型”.随后，德国SMA公司于2004年发明了H5电路4，如图10(b）所示，在直流侧附加Ss来实现续流阶段交流侧和直流侧的断开，被称为“直流解耦型”. 按上述思路，研究人员随后发明了一些全桥TLI拓扑1.17-19，比较有代表意义的拓扑为两种H6电路，如图10（c）、（d）所示，分别属于“交流解耦型”[15和“直流解耦型”[17]. 上述电路拓扑已在DPVG得到应用.但是，通过现场测试波形和数据分析可以发现，解耦型共模 图10解耦型全桥非隔离拓扑 Fig. 10 Full bridge type TLIs with decoupling branches 电压消除策略不能完全消除高频共模电压口.其原因是续流阶段由于开关管寄生电容的存在引起 了续流回路电压波动，共模电压处于不定状态，由1.2节中准则1可知，全桥型电路的续流阶段共模电压必须处于输入直流电压一半的恒定值.文献[26]提出共模电压钳位的概念，并基于H5电路发明了钳位支路和控制时序，如图11（a）所示.基于准则1 的共模电压钳位思路，文献[33]将NPC电路中钳位二极管结构引入全桥拓扑，如图11(b)所示. 上述基于直流侧解耦型拓扑的改进电路虽然可以实现续流阶段共模电压的恒定28.34，但在功率传输阶段（简称“传能阶段”）需要流经3只或4只
